量子去相干

量子去相干 图片来自百科知识

在量子力学里，开放量子系统的量子相干性会因为与外在环境发生量子纠缠 而随著时间逐渐丧失，这效应称为量子退相干（Quantum decoherence），又称为量子去相干。量子退相干是量子系统与环境因量子纠缠而产生的后果。由于量子相干性而产生的干涉现象会因为量子退相干而变得消失无踪。量子退相干促使系统的量子行为变迁成为经典行为，这过程称为“量子至经典变迁”（quantum-to-classical transition）。德国物理学者汉斯·泽贺|H. Dieter Zeh最先于1970年提出量子退相干的概念。自1980年以来，量子退相干已成为热门研究论题。

实际而言，不存在孤立系统，特别是不存在孤立宏观系统，通过某种方式，每个量子系统都会持续地与外在环境耦合，发生量子纠缠，从而形成纠缠态。因此，量子退相干可以视为存在于量子系统内部的相干性随著时间流易而退定域（delocalize）至量子系统与环境所组成的纠缠系统，换句话说，量子系统内部的几个成分彼此之间的相位关系，会逐渐地退定域至整个系统，也就是说，量子系统的相位信息会持续地泄露至环境，从而有效地促使伴随著相干性的干涉现象消失无踪。

量子退相干能够解释为什么不会观察到干涉现象，但是，量子退相干能否解释波函数塌缩的后果，这论题至今仍旧存在巨大争议，一个很重要的原因就是，很难将这论题跟量子力学的诠释做分割，而人们各自有各自青睐的诠释。量子退相干是一种标准量子力学效应，关于它是否能够解释波函数塌缩的后果，存在有很多种观点，大多数过于乐观或过于悲观的观点，皆可追溯至对于量子退相干运作范围的误解。

量子退相干不是一种量子力学诠释，而是利用量子力学分析获得的结果。它严格遵守量子力学，并没有对量子力学的基础表述做任何修改。很多完成的量子实验已证实量子退相干的存在与正确性。

在实现量子计算机方面，量子退相干是一种必须面对的挑战，因为量子计算机的运作倚赖维持量子相干态的演化不被环境搅扰。简言之，必需良好维持量子相干态与管控量子退相干，才能够实际进行量子运算。

目录

理论概述

开放系统

在经典物理里，孤立系统是一个很有用的概念。理想的孤立系统完全与外在环境相互隔绝，不会与外在环境耦合，不会与外在环境相互传输物质或能量，这样，可以专注研究孤立系统，而不必顾虑到外在环境因素。例如，思考一个移动于空间的圆球，为了简单化分析其感受到地心引力而呈现的运动轨道，可以忽略空气阻力、微风、月亮引力或太阳引力的影响，将这圆球与地球所形成的系统视为一个孤立系统。

与孤立系统迥然不同，开放系统可以与外在环境耦合，可以与外在环境交换物质或能量。近几十年来，物理学者逐渐发觉，当量子系统与外在环境耦合时，会产生量子纠缠，连带地将量子系统内部的量子相干性逐渐泄露至外在环境，因此，开放系统成为促成量子退相干的重要概念。

实验观察

量子退相干通常发生的很快，因此很难制成处于宏观或介观的叠加态物体。为了要实验验证量子退相干的效应、见证量子与经典之间的平滑边界、检验与改良描述量子退相干的理论模型、找出任何不同于量子力学幺正演化行为之处，必须完成以下几件极具挑战性的任务：

• 制备出可分辨的几个宏观态或介观态的量子叠加态。
• 设计一套证实量子叠加的方法。
• 量子退相干时间尺度必须足够长久，这样才能正确地观测量子退相干。
• 设计一套监督量子退相干的方法。

腔量子电动力学实验

1996年，在法国巴黎高等师范学校，物理学者塞尔日·阿罗什实验团队在腔量子电动力学实验中，首先定量观测到辐射场的介观叠加态的相位相干性逐渐地因量子退相干而被摧毁。

在这实验里，单独里德伯铷原子被传输通过含有辐射场的微波腔|microwave cavity，而这里德伯原子是处于两个量子态所组成的叠加态，其中一个量子态会使得辐射场发生相移，因此促使辐射场从原先所处的非叠加态变为叠加态。由于光子散射于腔镜子的瑕疵，辐射场会逐渐失去其相位相干性给环境。传送第二个里德伯原子通过微波腔，可以测量出辐射场的相位相干性。从分析在不同延迟时间下相位相干性的数据，可以实验证实量子退相干效应。

因为研究能够量度和操控个体量子系统的突破性实验方法，阿罗什荣获2012年诺贝尔物理学奖。

量子干涉学实验

2002年，奥地利维也纳大学物理学者安东·蔡林格研究团队发表论文报告观察C₇₀富勒烯干涉行为的结果。C₇₀富勒烯的质量为840amu，直径约为1nm，是由超过1000个微观粒子所组成的相当复杂的物体，因此很不容易观察到量子干涉效应，必须特别使用一种应用塔尔博特效应|Talbot effect的干涉仪，称为塔尔博特-劳澳干涉仪|Talbot-Lau interferometer。碰撞退相干、热力学退相干、振动微扰引起的退相位碰撞退相干指的是C₇₀富勒烯与环境气体分子之间的碰撞而发生的量子退相干。热力学退相干指的是C₇₀富勒烯因发射热力学辐射而发生的量子退相干。干涉仪的衍射光栅会振动，因此造成经典的振动微扰。

量子退相干与量子资讯科学

退相干现象对量子资讯科学的影响可大致分成两大内容来说明：量子计算与量子通信。我们知道在量子资讯科学中，量子系统的状态含藏著资讯的意义。量子退相干会使我们所在意的系统出现资讯部份或完全丧失的结果，因此在量子计算上会造成计算结果出现误差干扰；而在量子通信上，一个环境充满扰动的资讯传递通道（channel），在通道末端的收受者则有收到杂讯及错误讯息的可能，需要除错系统如编码方法之协助。

历史

1935年，在普林斯顿高等研究院，阿尔伯特·爱因斯坦、博士后纳森·罗森、研究员鲍里斯·波多尔斯基合作完成论文《物理实在的量子力学描述能否被认为是完备的？》，并且将这篇论文发表于5月份的《物理评论》。这是最早探讨量子纠缠的一篇论文。在这篇论文里，他们详细表述爱因斯坦-波多尔斯基-罗森佯谬，试图藉著一个思想实验来论述量子力学的不完备性质。他们并没有更进一步研究量子纠缠的特性。

薛丁格仔细阅读了爱因斯坦研究团队的论文。稍后不久，他发表了一篇论文，对于“量子纠缠”这术语给予定义，并且研究探索相关概念。薛丁格体会到这概念的重要性，他表明，量子纠缠不只是量子力学的某个很有意思的性质，而是量子力学的特征性质；量子纠缠在量子力学与经典思路之间做了一个完全切割。为了进一步显示量子力学的不完备性，薛丁格将量子力学应用到宏观效应中，从而构思了著名的薛丁格猫思想实验。这思想实验明显地呈现出量子至经典变迁的问题。

在之后40年，量子至经典变迁的问题并未得到解答，主要有两个原因，一是由于物理学者认为这论题不常出现于宏观世界，并且没有甚么实际用途，二是由于物理学者并未发现环境会扮演那么关键的角色促成了量子至经典变迁1970年，德国物理学者汉斯·泽贺|Heinz Zeh发表了首篇关于量子退相干的论文，他强调，所有宏观系统都是开放系统，都会强烈地与环境相互作用．它们不会遵守薛丁格方程式，因为，薛丁格方程式只适用于孤立系统。这崭新的量子退相干概念并没有立刻吸引到学术界的注意。1981至1982年之间，波兰物理学者沃杰克·祖瑞克|Wojciech Zurek在《物理评论D》发表了两篇关键性论文，他指出经典系统自然而然地将内含的量子相干性泄漏至环境，因而导致量子退相干的后果，在处理波函数塌缩问题时，不能够忽略这后果。祖瑞克的两篇论文使得量子退相干成为热门量子论题。1984年，祖瑞克推导出估算量子退相干时间尺度的公式，可以很容易地对于一般量子系统进行相关估算。隔年，泽贺与学生相干介绍给更广泛学术界，从而引起更多物理学者注意到这学术领域的发展。